corriente de vapor

8 de mayo de 2023

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por la Sociedad Max Planck

Los tensioactivos desempeñan un papel importante en la vida cotidiana, por ejemplo, como componentes principales de los jabones. Dado que presentan partes hidrofílicas e hidrofóbicas en su estructura, se acumulan en las interfaces del agua con el aire y pueden influir en la velocidad de evaporación de la solución o en la eficiencia con la que la solución absorbe las moléculas de gas, un proceso que es importante, por ejemplo. para la incorporación de dióxido de carbono a los océanos.

Cómo se organizan los tensioactivos en la interfaz del agua con el aire es una pregunta intrigante que ha fascinado a los científicos durante siglos, desde Benjamin Franklin, quien notó el efecto calmante del aceite de cocina en la superficie del agua, y Agnes Pockels, quien hizo algunos de los primeros experimentos sistemáticos sobre el tema a finales del siglo XIX.

La cuestión de la disposición de las moléculas de tensioactivo en la interfase agua-aire no es fácil de responder, ya que una mirada de cerca a la capa misma del agua líquida requiere métodos que se centren en las capas exteriores del agua, donde las moléculas de tensioactivo se encuentran en una capa. con un espesor de sólo unas mil millonésimas de metro.

Una investigación colaborativa de científicos de los Departamentos de Química Inorgánica, Física Molecular y Teoría del Instituto Fritz Haber de Berlín demostró recientemente un nuevo método para abordar este problema, basado en la dispersión elástica de fotoelectrones que se emiten al irradiar agua (tensioactivo). interfaz de vapor por rayos X.

El surfactante que estudiaron fue el ácido pentanoico perfluorado, en el que cuatro de los cinco átomos de carbono se pueden distinguir entre sí en el espectro de fotoelectrones a nivel del núcleo C 1s (capa interna), y en particular, los extremos hidrofílico e hidrofóbico de la molécula pueden distinguirse entre sí en el experimento.

El ácido pentanoico perfluorado también pertenece a la clase de los llamados "químicos permanentes" que recientemente se han convertido en los principales contaminantes de las aguas naturales; estas moléculas son difíciles de eliminar y causan daño al medio ambiente. Las mediciones se realizaron en las fuentes de luz de radiación de sincrotrón BESSY-II en Berlín y SOLEIL cerca de París en líneas de rayos X que permiten cambiar la dirección de la polarización lineal de los rayos X.

El ángulo entre la dirección de la polarización y el detector de electrones determina la intensidad de la señal de electrones detectada. La distribución de intensidad en función del ángulo ofrece una pista sobre cuántas "colisiones" elásticas experimentaron los electrones en su camino hacia el detector de electrones.

Dado que el agua es un medio denso, los electrones que se originan en aquellas partes de la molécula de surfactante que se sumergen más profundamente en el agua experimentarán una dispersión más elástica que los electrones que emergen de las partes de la molécula que sobresalen en el aire, que es mucho menos denso que el agua. . Los experimentos mostraron que la dispersión elástica es lo suficientemente sensible como para observar diferencias en la dispersión de los átomos de carbono vecinos en la molécula, que están separados solo por aproximadamente una diezmilmillonésima de metro (0,1 nm).

Si bien los experimentos mostraron cualitativamente la orientación esperada de la molécula, con el extremo hidrofóbico apuntando hacia el aire y el extremo hidrofílico hacia el agua, los experimentos por sí solos no pueden cuantificar la posición promedio de la molécula con respecto a la interfaz agua-aire. Esto fue posible utilizando simulaciones de dinámica molecular, que siguen las trayectorias de las moléculas de agua y surfactante a lo largo del tiempo y ofrecen una "película" a escala molecular.

La posición promedio del tensioactivo en relación con la superficie de la muestra puede determinarse a partir de muchas instantáneas tomadas de esa película y compararse con los datos de dispersión elástica. Se encontró que existe una excelente concordancia entre los cálculos teóricos y los datos experimentales.

Esto es alentador para futuras mediciones que se centrarán en la interacción de las moléculas de surfactante con los iones disueltos en el agua, un fenómeno que está presente en las interfaces agua-aire de todos los sistemas naturales, incluidos los océanos, los ríos y las gotas de aerosoles acuosos.

Los hallazgos se publican en la revista Physical Review Letters.

Más información: R. Dupuy et al, Resolución de profundidad de Ångstrom con especificidad química en la interfaz líquido-vapor, Cartas de revisión física (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.156901

Información del diario:Cartas de revisión física

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